特性阻抗

特性阻抗，是我们在进行高速电路设计的时候经常会提到的一个概念。但是很多人对这个概念并不理解，有时还会错误的理解为直流阻抗。弄明白这个概念对我们更好的进行高速电路设计很有必要，高速电路的很多设计规则都和特征阻抗有关。特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的。特征阻抗属于长线传输中的一个概念，信号在传输线中传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场，由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。

什么是特性阻抗

要理解特征阻抗的概念，我们先要弄清楚什么是传输线。简单的说，传输线就是能够传输信号的连接线。电源线，视频线，USB连接线，PCB板上的走线，都可以称为传输线。如果传输线上传输的信号是低频信号，假设是1KHz，那么信号的波长就是300公里(假设信号速度为光速)，即使传输线的长度有1米长，相对于信号来说还是很短的，对信号来说传输线可以看成短路，传输线对信号的影响是很小的。但是对于高速信号来说，假设信号频率提高到300MHz，信号波长就减小到1米，这时候1米的传输线和信号的波长已经完全可以比较，在传输线上就会存在波动效应，在传输线上的不同点上的电压电流就会不同。在这种情况下，我们就不能忽略传输线对信号造成的影响。传输线相对信号来说就是一段长线，我们要用长线传输里的理论来解决问题。特征阻抗就属于长线传输中的一个概念。信号在传输线中传输的过程中，在信号到达的一个点，传输线和参考平面之间会形成电场，由于电场的存在，会产生一个瞬间的小电流，这个小电流在传输线中的每一点都存在。同时信号也存在一定的电压，这样在信号传输过程中，传输线的每一点就会等效成一个电阻，这个电阻就是我们提到的传输线的特征阻抗。这里一定要区分一个概念，就是特征阻抗是对于交流信号(或者说高频信号)来说的，对于直流信号，传输线有一个直流阻抗，这个值可能会远小于传输线的特征阻抗。一旦传输线的特性确定了(线宽，与参考平面的距离等特性)，那么传输线的特征阻抗就确定了.

特性阻抗详解

阻抗突变是阻抗不连续的一种典型表现，一般发生在传输链路上发生几何尺寸明显变化的地方(典型的就是在连接器插头段、插座等部位)，也发生在导体材料突变和绝缘介质突变的地方(当然，也可能出现在电缆受外力损伤的地方)。用网线举例说明，例如，双绞线和水晶头之间的连接点就是一个阻抗突变点 — 因为双绞线的材质、结构和几何尺寸与水晶头内金属片的材质、结构和几何尺寸、绝缘材料等均不同，两者(可经计算得到)的等效阻抗也可能不一样 —这就会造成阻抗不连续。再如，双绞线与模块(插座)的内部金属结构、几何尺寸都不相同，等效阻抗也不一样，两者相连接时就会在打线的接触点上出现阻抗突变的现象。同样地，水晶头与模块的接触点也是典型的阻抗不连续点。

计算机网络曾经使用的同轴电缆(特性阻抗为 50 欧姆)和有线电视使用的同轴电缆(75 欧姆)特性阻抗不同，两者前后“误接”到一起时也会发生阻抗突变，突变点就在连接点处。沿着线对向前传输的信号在阻抗突变点会发生反射，突变越大反射的能量越强，突变越大，反射越强。那么这些回波有什么危害吗？除了前面提到的同轴电缆阻抗突变会令电视出现重影外，在数据电缆中，因为千兆以太网信号端口上的每个线对被设计成既是发射端口又是接收端口(也就是说信号的发射端口上同时又“并联”了一个接收信号输入端口)。这样一来反射回来的信号会回到信号的这个接收端，此回波信号与对端传来的正常信号会在此被叠加在一起而被一同接收，致使信号变形、失真，导致识别出错，丢包率上升。回波也是导致信噪比劣化的又一个重要因素(回波在此也相当于一个干扰噪声)。

如果传输线的末端开路，此时可以认为开路点阻抗值变成无穷大，“相对”突变值也是无穷大(从 100Ωà+∞Ω，∞是无穷大的意思)，由于突变的“尺度”太大，则信号传输到末端时会几乎全部反射回来。总线在末端一般都有一个“堵头”，就是用纯电阻连接在开路端，全部吸收总线上的电磁波能量，使它们不会反射回总线中去破坏正常的数据帧波形。

如果传输线的末端短路，此时可以认为此短路点的阻抗值为“零”(100Ωà0Ω)，“相对”的阻抗突变值也是“尺度”极大，则信号能量传输到短路点时也会被几乎全部反射回来。由此可知，开路和短路是阻抗突变的两个极端情形，反射回来的信号能量在此时此处都是最大的。我们就是利用这点特性来测量电缆的长度和定位开路/短路位置。那么，开路和短路点谁反射能量更大呢？由于两者都是阻抗极限突变，反射能量都几乎接近与 100%。

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